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很多工程師在上學(xué)時(shí)被老師講的三極管的各種電路接法，和小信號(hào)模型分析給繞暈了。而且大學(xué)的課本大多數(shù)都是在講三極管的放大特性。其實(shí)在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)中，三極管的很多應(yīng)用場(chǎng)景只是利用三極管的開(kāi)關(guān)特性，我們往往是運(yùn)用三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電路，做一些電平轉(zhuǎn)換的功能。
這是由于兩個(gè)原因造成的：由于數(shù)字電路的快速發(fā)展，模擬電路設(shè)計(jì)的比重越來(lái)越小;另外運(yùn)算放大器，越來(lái)越便宜，各項(xiàng)特性也比分立器件實(shí)現(xiàn)的放大電路相對(duì)穩(wěn)定，易于調(diào)試，集成度也高。
其實(shí)單獨(dú)把三極管的開(kāi)關(guān)特性弄清楚，只花了10%的時(shí)間，可能可以解決80%的問(wèn)題。所以咱們單獨(dú)理解一下“利用三極管設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電路”。
嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)，三極管與一般的機(jī)械接點(diǎn)式開(kāi)關(guān)在動(dòng)作上并不完全相同，但是它卻具有一些機(jī)械式開(kāi)關(guān)所沒(méi)有的特點(diǎn)。圖 1 所示，即為三極管電 子開(kāi)關(guān)的基本電路圖。由圖可知，負(fù)載電阻被直接跨接于三極管的集電極與電源之間，而位居三極管主電流的回路上。
輸入電壓 Vin 則控制三極管開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟(open) 與閉合(closed) 動(dòng)作，當(dāng)三極管呈開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)， 負(fù)載電流便被阻斷，反之，當(dāng)三極管呈閉合狀態(tài)時(shí)，電流便可以流通。詳細(xì)的說(shuō)，當(dāng) Vin 為低電壓時(shí)，由 于基極沒(méi)有電流，因此集電極亦無(wú)電流，致使連接于集電極端的負(fù)載亦沒(méi)有電流，而相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟， 此時(shí)三極管乃勝作于截止(cut off)區(qū)。同理，當(dāng) Vin 為高電壓時(shí)，由于有基極電流流動(dòng)，因此使集電極流過(guò)更大的放大電流，因此負(fù)載回路便被導(dǎo)通，而相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的閉合，此時(shí)三極管仍于飽和區(qū)(saturaTION)。
1 三極管開(kāi)關(guān)電路的分析設(shè)計(jì)
由于對(duì)硅三極管而言，其基射極接面之正向偏壓值約為 0.6 V，因此欲使三極管截止，Vin 必須低于 0.6 V，以使三極管的基極電流為零。通常在設(shè)計(jì)時(shí)，為了可以更確定三極管必處于截止?fàn)顟B(tài)起見(jiàn)，往往使 Vin 值低于 0.3V。
黃色圈圈處，本質(zhì)就是一個(gè)二極管。因?yàn)槎O管模型比較簡(jiǎn)單，我們單純看BE間的電壓，理解成為讓二極管導(dǎo)通的原理，就容易理解多了。
如果想讓三極管打開(kāi)，首先需要讓這個(gè)二極管導(dǎo)通，則需要二極管兩端的電壓大于其導(dǎo)通電壓。
當(dāng)然輸入電壓愈接近零伏特便愈能保證三極管開(kāi)關(guān)必處于截止?fàn)顟B(tài)。欲將電流傳送到負(fù)載上，則三極管的集電極與射極必須短路，就像機(jī)械開(kāi)關(guān)的閉合動(dòng)作一樣。欲如此就必須使 Vin 達(dá)到夠高的準(zhǔn)位，以驅(qū)動(dòng)三極管使其進(jìn)入飽和工作區(qū)工作，三極管呈飽和狀態(tài)時(shí)，集電極電流相當(dāng)大，幾乎使得整個(gè)電源電壓 Vcc 均跨在負(fù)載電阻上，如此則 Vce 便接近于 0，而使三極管的集電極和射極幾乎呈短路。在理想狀況下，根據(jù)奧姆定律三極管呈飽和時(shí)，其集電極電流應(yīng)該為：
我們期望飽和，就需要讓集電極電流達(dá)到 Ic這個(gè)值。
我們知道三極管是一個(gè)流控電流源：
β 和 α 稱為三極管的電流分配系數(shù)，其中 β 值大家比較熟悉，都管它叫電流放大系數(shù)。三個(gè)電流中，有一個(gè)電流發(fā)生變化，另外兩個(gè)電流也會(huì)隨著按比例變化。例如，基極電流的變化量 ΔI b = 10 μA ， β = 50 ，根據(jù) ΔI c = βΔI b 的關(guān)系式，集電極電流的變化量 ΔI c = 50×10 = 500μA ，實(shí)現(xiàn)了電流放大。
因此，要想讓三極管飽和，則Ic需要足夠大，由于在飽和之前，I c = βI b 基極電流最少應(yīng)為：
式(1)
上式表出了 IC 和 IB 之間的基本關(guān)系，式中的 β 值代表三極管的直流電流增益，對(duì)某些三極管而言， 其交流 β 值和直流 β 值之間，有著甚大的差異。欲使開(kāi)關(guān)閉合，則其 Vin 值必須夠高，以送出超過(guò)或等于 (式 1) 式所要求的最低基極電流值。由于基極回路只是一個(gè)電阻和基射極接面的串聯(lián)電路，故 Vin 可由 下式來(lái)求解：
(式2)
這是Vin至少需要保證大于的值，才能保證三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)。當(dāng)然這個(gè)電壓值越高，越能保證飽和的狀態(tài)。因?yàn)棣轮涤幸欢ǖ碾x散型，0.6V也有一定的離散型。
一旦基極電壓超過(guò)或等于(式2) 式所求得的數(shù)值，三極管便導(dǎo)通，使全部的供應(yīng)電壓均跨在負(fù)載電 阻上，而完成了開(kāi)關(guān)的閉合動(dòng)作。總而言之，三極管接成圖 1 的電路之后，它的作用就和一只與負(fù)載相串聯(lián)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)一樣，而其啟 閉開(kāi)關(guān)的方式，則可以直接利用輸入電壓方便的控制，而不須采用機(jī)械式開(kāi)關(guān)所常用的機(jī)械引動(dòng) (mechanical actuator)﹑螺管柱塞(solenoid plunger)或繼電器電樞(relay?armature)等控制方 式。為了避免混淆起見(jiàn)，本文所介紹的三極管開(kāi)關(guān)均采用 NPN 三極管，當(dāng)然 NPN 三極管亦可以被當(dāng)作開(kāi)關(guān)來(lái)使用，只是比較不常見(jiàn)罷了。
當(dāng)然很多朋友在剛學(xué)習(xí)模電的時(shí)候也被PNP和NPN繞暈的不行不行的。本文暫時(shí)只講NPN三極管。
N型半導(dǎo)體(N為NegaTIve的字頭，由于電子帶負(fù)電荷而得此名，負(fù)極)
P型半導(dǎo)體(P為PosiTIve的字頭，由于空穴帶正電而得此名，正極)。
記不住想想二極管，叫PN結(jié)
再想想，我們剛說(shuō)的三極管里面有個(gè)二極管，那個(gè)二極管的方向。這樣你就不會(huì)叫錯(cuò)了。
在圖 2 的開(kāi)關(guān)電路中，欲使開(kāi)關(guān)閉合(三極管飽和) 所需的輸入電壓為多大，并解釋出此時(shí)之負(fù)載電流與基極電流值解﹕由 2 式可知，在飽和狀態(tài)下，所有的供電電壓完全跨接于負(fù)載電阻上，因此由方程式(1) 可知：
因此輸入電壓可知道，Vce幾乎為0，則直接歐姆定律求Ic﹕
同樣，基級(jí)的串阻利用歐姆定律可以算出其兩端的電壓，再加上基級(jí)的導(dǎo)通電壓，就可以算出，我想要讓三極管飽和需要的輸入電壓Vin是多大。
欲利用三極管開(kāi)關(guān)來(lái)控制大到 1.5A 的負(fù)載電流之啟閉動(dòng)作，只需要利用甚小的控制電壓和電流即可。此外，三極管雖然流過(guò)大電流，卻不需要裝上散熱片，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載電流流過(guò)時(shí)，三極管呈飽和狀態(tài)，其 VCE趨近于零，所以其電流和電壓相乘的功率之非常小，根本不須要散熱片。
但是，如果我們使用單片機(jī)來(lái)控制這個(gè)燈，則需要降低1k那個(gè)電阻的阻值。因?yàn)楦鶕?jù)上面的計(jì)算3.3V不足以使得這個(gè)三極管飽和。
同時(shí)，我們也需要考慮單片機(jī)的GPIO驅(qū)動(dòng)能力。
三極管開(kāi)關(guān)與機(jī)械式開(kāi)關(guān)的比較
截至目前為止，我們都假設(shè)當(dāng)三極管開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其基極與射極之間是完全短路的。事實(shí)并非如此，沒(méi)有任何三極管可以完全短路而使 VCE=0，大多數(shù)的小信號(hào)硅質(zhì)三極管在飽和時(shí)，VCE(飽和) 值約為0.2 V，縱使是專為開(kāi)關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的交換三極管，其 VCE(飽和) 值頂多也只能低到 0.1 V左右，而且負(fù)載電流一高，VCE(飽和) 值還會(huì)有些許的上升現(xiàn)象，雖然對(duì)大多數(shù)的分析計(jì)算而言，VCE(飽和)值可以不予考慮，但是在測(cè)試交換電路時(shí)，必須明白 VCE(飽和) 值并非真的是 0。
雖然 VCE(飽和)的電壓很小，本身微不足道，但是若將幾個(gè)三極管開(kāi)關(guān)串接起來(lái)，其總和的壓降效應(yīng)就很可觀了，不幸的是機(jī)械式的開(kāi)關(guān)經(jīng)常是采用串接的方式來(lái)工作的，如圖 3(a)所示，三極管開(kāi)關(guān)無(wú)法模擬機(jī)械式開(kāi)關(guān)的等效電路(如圖 3(b)所示)來(lái)工作，這是三極管開(kāi)關(guān)的一大缺點(diǎn)。
三極管開(kāi)關(guān)和傳統(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)相較，具有下列四大優(yōu)點(diǎn)﹕
(1)三極管開(kāi)關(guān)不具有活動(dòng)接點(diǎn)部份，因此不致有磨損之慮，可以使用無(wú)限多次，一般的機(jī)械式開(kāi)關(guān)，由于接點(diǎn)磨損，頂多只能使用數(shù)百萬(wàn) 次左右，而且其接點(diǎn)易受污損而影響工作，因此無(wú)法在臟亂的環(huán)境下運(yùn)作，三極管開(kāi)關(guān)既無(wú)接點(diǎn)又是密封的，因此無(wú)此顧慮。
(2)三極管開(kāi)關(guān)的動(dòng)作速度較一般的開(kāi)關(guān)為快，一般開(kāi)關(guān)的啟閉時(shí)間是以毫秒 (ms)來(lái)計(jì)算的，三極管開(kāi)關(guān)則以微秒(μs)計(jì)。
(3)三極管開(kāi)關(guān)沒(méi)有躍動(dòng)(bounce) 現(xiàn)象。一般的機(jī)械式開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通的瞬間會(huì)有快速的連續(xù)啟閉動(dòng)作，然后才能逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
(4)利用三極管開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載時(shí)，在開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的瞬間，不致有火花產(chǎn)生。反之，當(dāng)機(jī)械式開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，由于瞬間切斷了電感性負(fù)載樣 上的電流，因此電感之瞬間感應(yīng)電壓，將在接點(diǎn)上引起弧光，這種電弧非但會(huì)侵蝕接點(diǎn)的表面，亦可能造成干擾或危害。
三極管開(kāi)關(guān)的測(cè)試
三極管開(kāi)關(guān)不像機(jī)械式開(kāi)關(guān)可以光憑肉眼就判斷出它目前的啟閉狀態(tài)，因此必須利用電表來(lái)加以測(cè)試。
在圖 5 所示的標(biāo)準(zhǔn)三極管開(kāi)關(guān)電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，VEC 的讀值應(yīng)該為 0，反之當(dāng)開(kāi)關(guān)切斷時(shí)，VCE 應(yīng)對(duì)于 VCC。
三極管開(kāi)關(guān)在切斷的狀況下，由于負(fù)載上沒(méi)有電流流過(guò)，因此也沒(méi)有壓降，所以全部的供應(yīng)電壓均跨降在開(kāi)關(guān)的兩端，因此其 VCE 值應(yīng)等于 VCC，這和機(jī)械式開(kāi)關(guān)是完全相同的。如果開(kāi)關(guān)本身應(yīng)導(dǎo)通而未導(dǎo)通，那就得測(cè)試 Vin 的大小了。欲保證三極管導(dǎo)通，其基極的 Vin 電壓值就必須夠高，如果 Vin 值過(guò)低，則問(wèn)題就出自信號(hào)源而非三極管本身了。假使在 Vin 的準(zhǔn)位夠高，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通絕無(wú)問(wèn)題時(shí)，而負(fù)載卻仍未導(dǎo)通，那就要測(cè)試電源電壓是否正常了。
在導(dǎo)通的狀態(tài)下，硅三極管的 VBE 值要根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，查看其值的離散型和范圍是否符合器件資料。
一旦 VBE 正常且有基極電流流動(dòng)時(shí)，便必須測(cè)試 VCE 值，假使 VCE 趨近于 VCC，就表示三極管的集電極損壞，必須換掉三極管。假使 VCE 趨近于零伏特，而負(fù)載仍未導(dǎo)通，這可能是負(fù)載本身有開(kāi)路現(xiàn)象發(fā)生，因此必須更換負(fù)載。
當(dāng) Vin 降為低電壓準(zhǔn)位，三極管理應(yīng)截止而切斷負(fù)載，如果負(fù)載仍舊未被切斷，那可能是三極管的集基極和集射極短路，必須加以置換。
因?yàn)橐粋€(gè)三極管，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)低壓控制高壓的，但是一個(gè)三極管會(huì)讓邏輯 反一下。有時(shí)我們需要2個(gè)三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)正邏輯。
基本三極管開(kāi)關(guān)之改進(jìn)電路
有時(shí)候，我們所設(shè)定的低電壓準(zhǔn)位未必就能使三極管開(kāi)關(guān)截止，尤其當(dāng)輸入準(zhǔn)位接近 0.6 V的時(shí)候更是如此。想要克服這種臨界狀況，就必須采取修正步驟，以保證三極管能夠截止。下圖就是針對(duì)這種狀況所設(shè)計(jì)的兩種常見(jiàn)之改良電路。
左邊的電路，在基射極間串接上一只二極管，因此使得可令基極電流導(dǎo)通的輸入電壓值提升了0.6 V，如此即使 Vin 值由于信號(hào)源的誤動(dòng)作而接近 0.6V時(shí)，亦不致使三極管導(dǎo)通，因此開(kāi)關(guān)仍可處于截止?fàn)顟B(tài)。
右邊的電路加上了一只輔助-截止(hold-off)電阻 R2，適當(dāng)?shù)?R1，R2 及 Vin 值設(shè)計(jì)，可于臨界輸入電壓時(shí)確保開(kāi)關(guān)截止。由圖 6(b)可知在基射極接面未導(dǎo)通前(IB0)，R1 和 R2 形成一個(gè)串聯(lián)分壓電路，因此 R1 必跨過(guò)固定(隨 Vin 而變) 的分電壓，所以基極電壓必低于 Vin 值，因此即使 Vin接近于臨界值(Vin=0.6 伏特) ，基極電壓仍將受連接于負(fù)電源的輔助-截止電阻所拉下，使低于 0.6 V。由于 R1，R2 及 VBB 值的刻意設(shè)計(jì)，只要 Vin 在高值的范圍內(nèi)，基極仍將有足夠的電壓值可使三極管導(dǎo)通，不致受到輔助-截止電阻的影響。
加速電容
在要求快速切換動(dòng)作的應(yīng)用中，必須加快三極管開(kāi)關(guān)的切換速度。下圖為一種常見(jiàn)的方式，此方法只須在 RB 電阻上并聯(lián)一只加速電容器，如此當(dāng) Vin 由零電壓往上升并開(kāi)始送電流至基極時(shí)，電容器由于無(wú)法瞬間充電，故形同短路，然而此時(shí)卻有瞬間的大電流由電容器流向基極，因此也就加快了開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的速度。稍后，待充電完畢后，電容就形同開(kāi)路，而不影響三極管的正常工作。
一旦輸入電壓由高準(zhǔn)位降回零電壓準(zhǔn)位時(shí)，電容器會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)即令基射極接面變成反向偏壓，而使三極管開(kāi)關(guān)迅速切斷，這是由于電容器的左端原已充電為正電壓，因此在輸入電壓下降的瞬間，電容器兩端的電壓無(wú)法瞬間改變?nèi)詫⒕S持于定值，故輸入電壓的下降立即使基極電壓隨之而下降，因此令基射極接面成為反向偏壓，而迅速令三極管截止。適當(dāng)?shù)倪x取加速電容值可使三極管開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間減低至幾十分之微秒以下，大多數(shù)的加速電容值約為數(shù)百個(gè)微微法拉(pF) 。
加速電容構(gòu)成微分電路，利用電容兩端電壓不能突變的特性讓輸入瞬間的變化量直接引入到三極管基極，用過(guò)沖加快三極管的狀態(tài)變化。等過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后又回歸到兩個(gè)電阻的直流分壓，所以電容不影響飽和深度。
電容加速電路也是經(jīng)常在設(shè)計(jì)中用到的一種實(shí)用電路。如圖所示：
這是在脈沖放大器電路中的一種的應(yīng)用。其中的三極管VT1是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下。
開(kāi)頭提到的所謂加速，就是加快響應(yīng)速度，加快對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度。
從圖1中的三極管VT1來(lái)看，就是要求三極管在截止，飽和兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換速度越快越好。
那么圖中的電路是如何起到加速作用呢?
為了做一個(gè)比較與便于理解，先簡(jiǎn)單分析沒(méi)有加入加速電容之前的電路，如下圖所示：
沒(méi)有加電容之前
在圖中，當(dāng)輸入U(xiǎn)i是矩形脈沖信號(hào)加到VT1基極時(shí)，
若Ui為高，VT1飽和導(dǎo) 通，若Ui為低，VT1截止。
在接入C1后，其可等效成如下圖所示的微分電路：
此時(shí)還是加入同樣的輸入信號(hào)Ui：
當(dāng)Ui從低 —>高時(shí)，由于微分電路的作用，使加到基極的電壓出現(xiàn)一個(gè)尖頂脈沖，使基極的電流很大，從而加快了VT1從截止進(jìn)入導(dǎo)通的速度，縮短了時(shí)間。在t0之后，對(duì)C1的充電很快就結(jié)束，這時(shí)Ui加到基極的電壓較小，維持VT1導(dǎo) 通。
當(dāng)Ui從高 —>低時(shí)，即t1時(shí)刻，由于C1上原先的電壓極性為左正右負(fù)，
這一電壓加到基極為負(fù)頂脈沖，加快了從基區(qū)抽出電荷，使VT1以更快的速度從飽和轉(zhuǎn)換到截止，縮短了VT1的截止時(shí)間。
上述的Ui和Uo的波形如圖4所示，直觀反映了電容加速電路的工作原理。
應(yīng)用三極管開(kāi)關(guān)的典型應(yīng)用：
1.低邊開(kāi)關(guān)
2.高邊開(kāi)關(guān)
3.基極電阻
4.非門電路
5.與門
6.或門
7.H橋
8.振蕩器
9、帶隔離的三極管開(kāi)關(guān)電路
